基于智能網關的數字家庭網絡系統架構設計

摘 要:基于智能網關的數字家庭網絡系統，主要應用于智能網關的管理，能實現內部網絡協議轉換和QoS(網絡服務質量)動態配置。該系統以PLC及UWB技術原理為基礎，基于RC32434的MIPS+Linux系統平臺，多SSID和VLAN技術，增強型X-10的總線技術及VPN技術的應用，實現了家庭網關的多業務和多種端口技術、三網合一的內部網絡協議轉換技術、智能路由技術及網絡數據包過濾技術。

關鍵詞:數字家庭網絡; 多業務和多種端口技術; 智能路由; 網絡數據包

中圖分類號:TP393 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)09-0084-03

Design of Digital Home Network System Architecture Based on Intelligent Gateway

ZHANG Li-tao

(School of Information Engineering， Tianjin University of Commerce， Tianjin 300134， China)

Abstract: Intelligent gateway-based digital home network system is mainly applied to the management of intelligent gateway， which can achieve the internal network protocol conversion， and QoS(quality of network service)dynamic configuration. The multi-service and multi-port technology of home gateway， triple-net internal network protocol conversion technologies， intelligent routing technology and network data packet filtering technology are achieved based on principles of PLC and UWB technologies， MIPS+Linux system platform of RC32434， multi-SSID VLAN technologies， enhanced X-10 bus technology and VPN technology，.

Keywords: digital home network; multi-service and multi-port technology; intelligent routing; network packet

0 引 言

可以預見，未來幾年將是寬帶網絡發展和家庭網絡普及的上升期，隨著全球3C(Computer，Communication，Cosumer)的融合趨勢，數字家庭網絡系統將是計算機、數字家電和移動信息終端通過有線或無線網絡的無縫協作。

目前的數字家庭網絡，除了PC和家庭網關/路由器以外，又出現了媒體適配器及媒體服務器，這類新設備將許多媒體處理任務從PC中分流出來，構成一種無中心網絡結構，如何將家庭控制網、數字數據網和家庭A/V網這三個相互之間異構的網絡共同構成家庭高速信息網，以實現網絡接入、防盜報警、室內電器自動控制管理、門禁對講、遠程抄表、遠程Web監控、視頻點播等成為信息技術領域中的一個研究熱點。

1 數字家庭網絡系統主要研究內容

1.1 數字家庭網絡系統的基本功能

數字家庭網絡通過家庭網關將公共網絡功能和應用延伸到家庭，并以可靈活配置的家庭智能布線系統，連接多種多樣的終端設備，提供集成的話音、數據、多媒體、控制和管理等功能，達到信息在家庭內部終端與外部公網及家庭內部終端之間的充分流通和共享。其具備以下功能:

家庭網關可同時連接多個或不同種類的接入技術，如支持ADSL和局域網接入。在系統功能上能夠同時處理多種類型的接入網技術和多種類型的網絡技術。

家庭網絡分為三部分:家庭控制網、數字數據網、家庭A/V網，這三種網絡在傳輸速率、帶寬需求、傳輸介質、安全要求以及QoS(網絡服務質量)要求上均有明顯差異，因此可以使用多種技術來構建，家庭控制網以采用基于X-10總線協議的PLC電力線載波技術為傳輸介質;而數字數據網、家庭A/V網以無線為傳輸介質，采用超寬頻UWB技術，以極低功率的信號實現114 Mb/s的傳輸速率，滿足多媒體業務對帶寬的需求。

支持射頻接入技術，用戶通過家庭網關內置的Web Server功能控制高頻頭選臺，并通過多媒體編碼器實時捕捉模擬數據流，編碼轉換為符合數字標準(如MPEG1)的數字媒體流，經WLAN傳輸到各多媒體播放終端，實現家庭內部各種信息終端的高速信息共享。

家庭網關能橋接接入網QoS和家庭網絡的QoS，保障訪問的內容不依賴于用以傳送內容的硬件和傳輸機制;通過模塊的遠程下載功能，靈活地支持最新技術，使得系統很容易升級，以支持未來新興業務。

通過家庭網關內置的Web Server功能實現遠程對各種家用電器設備的控制、調節和監測，并通過SSID和VLAN技術保證用戶控制命令和數據的安全性。

家庭網關可通過Intranet VPN接入公司的VPN網關，實現Intranet、遠程辦公。

1.2 數字家庭網絡系統架構設計

以PLC電力線載波技術和UWB無線通信技術為基礎，開發基于智能網關的數字家庭網絡系統，采用嵌入式家庭網關將家庭數據通信網、家庭A/V網、家庭控制網有機的結合在一起，以標準C和JAVA作為開發平臺，采用RC32434作為嵌入式系統核心CPU，應用嵌入式Linux操作系統作為軟件開發平臺，采用多SSID技術、VLAN技術和VPN技術實現智能路由，并提高QoS品質，通過家庭網關服務器將小區網絡信號、射頻數字電視信號、電話信號、音視頻信號、家電控制信號同時納入到家庭網絡中，實現處理多種類型的接入網技術和多種類型的網絡技術。數字家庭網絡系統架構系統框圖如圖1所示。

圖1 數字家庭網絡系統架構

1.3 嵌入式家庭網關架構框圖及分析

家庭網關架構框圖(如圖2所示)有7個模塊:

(1) RC32434 CPU核心模塊，是家庭網關最為核心的部分，以Linux操作系統為核心，管理、協調各周邊模塊。主要實現網絡協議轉換、智能路由、QoS動態配置、網絡安全等功能;

(2) 以太網接口模塊是管理多個以太網接入端口，負責實現輕量級TCP/IP協議棧;

(3) ADSL電話接口模塊，實現電話信號的數字化，并通過UWB進行傳輸，同時可將寬帶ADSL信號解調后進行廣域網服務端口和局域網網絡服務器之間的轉發規則映射;

(4) 射頻接口模塊，內置高頻頭，對高頻電視信號進行處理，具備選頻、放大及變頻功能，并通過多媒體編碼器實時捕捉模擬數據流，編碼轉換為符合數字標準(如MPEG1)的數字媒體流;

(5) PLC電力線載波接口模塊，通過PCI總線與RC32434 CPU進行信息交互，將外網對家電控制信息通過電力線載波的方式傳輸給各家電終端，此模塊實現采用正交頻分復用(OFDM)調制和前向糾錯等核心算法;

(6) UWB無線通信模塊，通過PCI總線與RC32434 CPU進行信息交互，將寬帶網絡數據和多媒體音視頻流通過超寬頻UWB傳輸，同時接收PC和媒體終端的流媒體，通過網關轉發到外網或內網;

(7) Web Server 管理模塊是家庭內部各種智能應用終端的信息和狀態均以網頁的形式通過Web服務器傳給遠程監控用戶。

系統引入VPN技術，遠程用戶可以通過Access VPN接入家庭網關，實現對家庭網絡的安全遠程訪問和控制。家庭網關可通過Intranet VPN接入公司的VPN網關，實現Intranet、遠程辦公。

圖2 家庭網關架構框圖

2 數字家庭網絡系統技術原理

2.1 PLC技術原理

PLC利用1.6~30 MHz頻帶范圍傳輸信號。在發送時，利用GMSK或OFDM調制技術將用戶數據進行調制，然后在電力線上進行傳輸;在接收端，先經過濾波器將調制信號濾出，再經過解調，就可得到原通信信號。PLC技術主要包括電力線網絡單元(PNU)，它負責控制電力線網絡并從單元配電網集成話務，通過適當的電信干線接口，PNU再將話務傳至饋電網絡。根據饋電網絡中使用的不同介質，PNU也可轉換來自低壓配電網的數據話務。

2.2 UWB技術原理

UWB技術最基本的工作原理是發送和接收脈沖間隔嚴格受控的高斯單周期超短時脈沖，超短時單周期脈沖決定了信號的帶寬很寬，接收機直接用一級前端交叉相關器就把脈沖序列轉換成基帶信號，省去了傳統通信設備中的中頻級，極大地降低了設備復雜性。UWB技術采用脈沖位置調制PPM單周期脈沖來攜帶信息和信道編碼，一般工作脈寬為0.1~1.5 ns，重復周期在25~1 000 ns。

3 系統創新內容

3.1 應用創新

3.1.1 基于RC32434的MIPS+Linux的系統平臺

本系統采用IDT的RC32434 Interprise集成通信處理器，其采用32位MIPS 4Kc CPU，支持標準媒體獨立接口(MII)及簡化標準媒體獨立接口(RMII)，在此硬件平臺上移植Linux，并且開發了多協議應用協議庫和設備驅動程序，MIPS+Linux系統平臺具有良好的穩定、移植性、優秀的網絡功能、完整的TCP/IP 協議棧、完備的對各種文件系統的支持，以及標準豐富的API，其內核緊湊，編譯后小于512 KB。

3.1.2 多SSID和VLAN技術應用

家庭網關可采用無線傳輸方式(如通過802.11X)進行家庭內部組網，引入SSID技術可以將一個無線局域網分為幾個需要不同身份驗證的子網絡，每一個子網絡都需要獨立的身份驗證，防止未被授權的用戶進入本網絡，而且采用多SSID技術可以實現虛擬AP功能。不同的SSID可以采用不同的認證方式及訪問權限，也可映射為不同的VLAN，實現公共熱點與家庭內部網之間的網絡隔離。

3.1.3 強型X-10的總線技術應用

家庭控制網采用X-10的總線傳輸技術，性價比高、兼容性、可擴充性強等優點被廣泛應用于家庭控制網絡，但由于其是在電力線中傳播數據，抗干擾能力較差，為了解決此問題需要對X-10協議進行改進和擴充，使其具用較強的抗干擾特性，且兼容標準的X-10協議。

3.1.4 VPN技術應用

將VPN技術應用于家庭網絡，可采用Access VPN和Intranet VPN兩種技術。遠程用戶可以通過Access VPN接入家庭網關，實現對家庭網絡的安全遠程訪問和控制。家庭網關可通過Intranet VPN接入公司的VPN網關，實現Intranet、遠程辦公。

3.2 技術創新

3.2.1 家庭網關的多業務、多種端口技術

家庭網關應使用戶能連接家里盡可能多的設備。網絡運營商可利用這些設備捆綁多種業務，控制從基礎設施到終端設備等家庭網絡中所有設備上的業務。因此在硬件上采用多端口設計方案，具有RJ45，RJ11，PLC，WLAN和射頻多種接口，這樣可通過網關方便連接如IPTV機頂盒、網絡游戲終端、IP電話終端等多種終端設備。在軟件上采用實時多任務操作系統和模塊化設計思想，支持模塊的遠程下載更新，以支持未來新興業務的媒體設備，使得家庭網關成為服務提供商與用戶之間最重要的接口。

3.2.2 三網合一內部網絡協議轉換技術

家庭網關連接家庭數據通信網、家庭A/V網和家庭控制網，其在網絡協議、傳輸碼流、網絡服務質量以及傳輸載體上都有較大差異，如何實現網絡異構，保證數據傳輸的安全，應由家庭網關內部網絡協議轉換模塊完成，并且通過SSID和VLAN技術實現公共熱點與家庭內部網之間的網絡隔離，提高用戶數據的安全性。家庭網關的物理接口可支持UWB和PLC兩種傳輸方式，為用戶提供便捷的接入方式，如控制網可采用基于X-10協議的電力線載波傳輸模式，移動媒體終端采用UWB傳輸技術，保證對帶寬的需求。

3.2.3 QoS(網絡服務質量)動態配置技術

QoS的實現需要在家庭網關上實現外部網絡和家庭網絡之間的帶寬映射分配機制，將外部網絡中業務流按照家庭網絡情況進行重新映射分配，需要在家庭網關上實現帶寬的動態預留和分配功能，家庭網關需要同時實現外部網絡和家庭網絡的服務質量機制，保證端到端的QoS。另外，需要對家庭中各個終端的QoS能力進行定義，制定終端設備和家庭網關之間的QoS信令機制。

3.2.4 網絡數據包過濾技術

網絡IP報文的IP報頭及所承載的上層協議(如TCP)報頭的每個域包含了可以由路由器進行處理的信息，可以由這些域的各式各樣的組合形成不同的規則。家庭網關提供了基于接口的包過濾，即可以在寬帶上行口的進出兩個方向上對報文進行過濾，提高網絡傳輸流量，保障網絡安全。

4 結 語

“處處計算，處處連接”是數字家庭的最終目標，在寬帶網絡完成最后一公里接入之后，隨著家庭網絡的普及，多種多樣的終端設備將逐步完成寬帶最后一米的延伸，將更多更好的服務推送到家庭。本文提出采用PLC電力線載波和超寬頻UWB技術構建家庭控制網、家庭數據通信網和家庭A/V網，通過智能網關的管理實現三網合一，為數字家庭夢想的實現推波助瀾。

參考文獻

[1]彭海清，馮濤，童登金.家庭網絡的關鍵技術、業務及標準化[J].電信科學，2004，20(11):5-9.

[2]敖立.家庭網絡的業務和技術詳解[J].電信技術，2006，9(9):18-21.

[3]王金龍，王呈貴，闞春榮，等.無線超寬帶(UWB)通信原理與應用[M].北京:人民郵電出版社，2005.

[4]Digital Home-network Forum. Bridging to CE devices across IP domains [M]. [S.l.]: Digital Home-network Farum， 2004.

[5]ITU-T Workshop on Home Network and Home Service.Home gateway for managing home network QoS[M]. [S.l.]: ITU-T Workshop on Home Network and Home Service， 2004.

[6]楊杰，張建飛.基于直序擴頻的電力線載波通信系統設計[D].武漢:武漢理工大學，2006.

[7]孫甲泉.VLAN技術及實現方法[J].計算機與現代化，2008(5):81-83.

[8]袁德明，喬月圓.計算機網絡安全[M].北京:電子工業出版社，2007.